Een EPFL-onderzoeker heeft een wiskundig model ontwikkeld om de warmteoverdracht in fabrieken te optimaliseren en het water- en energieverbruik drastisch te verminderen. Het model kon, in theorie, het waterverbruik in een Canadese papierfabriek met 60 procent te verminderen en de fabriek tot zes keer meer stroom te laten produceren.

De productie van consumptiegoederen vereist enorme hoeveelheden water, warmte en elektriciteit. De bedrijven die deze artikelen maken, produceren grote hoeveelheden CO ₂ uitstoot en hebben een enorme impact op het milieu. Op de klimaatconferentie COP21 in Parijs, wereldleiders benadrukten de prominente rol die fabrikanten kunnen spelen bij de bestrijding van klimaatverandering door de uitstoot van broeikasgassen te verminderen.

Maziar Kermani, een onderzoeker bij EPFL's Industrial Process and Energy Systems Engineering (IPESE) groep, onder leiding van professor François Maréchal, heeft een baanbrekend wiskundig model bedacht dat de hoeveelheid water en energie die in industriële processen wordt gebruikt, kan verminderen. Hij heeft een manier ontwikkeld om verloren warmte en energie te recyclen en om bioraffinagetechnologieën toe te passen – waarbij turbines en organische vloeistoffen worden gecombineerd – om de energieproductie te stimuleren.

Kermani paste zijn model toe op een Canadese papierfabriek. Hij vond dat, in theorie, het zou de hoeveelheid water die het bedrijf gebruikte kunnen verminderen van 820 kg tot 230-300 kg per seconde (een daling van ongeveer 60 procent). Het zou de fabriek ook in staat kunnen stellen om meer dan zes keer zoveel elektriciteit te produceren (van 3 MW tot ongeveer 20 MW). Zijn bevindingen zijn gepubliceerd in Energies.

Continue recycling van water en warmte

Kermani testte zijn theorie over het verpulpen van kraftpapier - verreweg de meest populaire methode voor het maken van papier in de industrie.

Houtsnippers worden bevochtigd, gekookt (in vergisters), gewassen, gedroogd en gebleekt om pulp te maken. Dit alles produceert enorme hoeveelheden stoom die, naast dat het wordt gebruikt in het proces zelf, wekt meer dan genoeg elektriciteit op om de centrale van stroom te voorzien. De overtollige energie kan dan worden verkocht.

Volgens Kermani, echter, het huidige systeem is verre van optimaal. "Er gaan enorme hoeveelheden water en energie verloren omdat de fasen van het proces niet met elkaar verbonden zijn, " legt hij uit. "Bijvoorbeeld, de molen gebruikt koud water om de pulp te wassen en af ​​te koelen. Maar dat water, die waardevolle warmte bevat, wordt dan weggegooid. Hetzelfde, hogedrukstoom wordt geproduceerd door zwarte vloeistof te verbranden bij extreem hoge temperaturen - ongeveer 1, 200°C. De stoom drijft turbines aan om elektriciteit op te wekken en levert een warmtebron voor andere processen, maar het is te energie-intensief om te produceren."

Organische vloeistoffen

In zijn krant, Kermani schetst verschillende manieren waarop het verwarmde water kan worden hergebruikt. Hij beveelt ook aan om biologische Rankine-cycli te introduceren, die afhankelijk zijn van een speciale eigenschap van organische vloeistoffen:het feit dat ze bij relatief lage temperaturen (250°C) veranderen in hogedrukstoom. "Door organische vloeistoffen te gebruiken, kan de molen de stoom produceren die hij nodig heeft met behulp van teruggewonnen heet water bij lage tot gemiddelde temperaturen, " hij legt uit.

Het Canadese bedrijf heeft interesse getoond in het model van Kermani. "In vergelijking met strikt wiskundige en beperkte methoden, de voorgestelde aanpak biedt inzichtelijke informatie voor het voorlopige ontwerp van industriële warmtewisselaarnetwerken voor pulp en papier, ", zegt de Canadese industriële procesexpert Marzouk Benali, die de processen van dat bedrijf moet optimaliseren. "De flexibiliteit biedt mogelijkheden om de directe effecten van de integratie van opkomende bioraffinagetechnologieën in bestaande grote faciliteiten te beoordelen."

Het model van Kermani heeft ook potentiële toepassingen in andere sectoren en industrieën.